D. 性能

　　我們用第三章C部分描述的實際系統(tǒng)作為實驗平臺，評估BlueVoice應用的功能、存儲器占用、性能需求和ASR識別率。特別是考慮到現(xiàn)場部署一系列微型無線麥克風模塊的應用場景和低能耗藍牙本身的非對稱性(從設備-外設模塊必須尺寸緊湊且功耗極低)，本章討論的性能評估主要討論 8 kHz和16 kHz兩種配置的從設備-外設模塊的功耗、存儲器占用和性能震求。此外，在接收端測量的ASR性能是另一個性能評估指標，實際上，該參數(shù)可能是語音通信的一個重要的音質指標，對于新興的聲控應用(遙控器、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品)具有重要意義。

　　圖6. BlueVoice框圖

　　圖7：發(fā)送器和接收器原型

　　1) 功耗、存儲器占用和性能需求

　　如前文所述，我們把BlueVoice應用實現(xiàn)在一個硬件設備上，該硬件設備使用意法半導體的 STM32 Nucleo開發(fā)板充當主機，并使用低能耗藍牙網(wǎng)絡模塊充當控制設備。表1列出了在BlueVoice的廣播、連接和傳輸三個不同狀態(tài)下，主機和控制設備(STM32和BlueNRG)的功耗值。這些數(shù)據(jù)是在3.3 V工作電壓時的測量值，對8 kHz和16 kHz配置的功耗進行了比較。必須強調的是，微控制器功耗完全取決于硬件特征和低功耗配置，因此，微控制器功率是在計算總功耗時加在總功耗中與平臺相關的數(shù)值。

　　本表所列數(shù)值可以視為一個指示性參考值，可能會隨實際應用情況而發(fā)生變化。

　　表I：BLUEVOICE功耗

　　按照低能耗藍牙標準，在兩個節(jié)點之間建立連接前，從設備是處于廣播模式，而主設備則是進入掃描模式。當主設備收到廣播數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)從設備存在時，就立即建立連接。在BlueVoice解決方案中，考慮到一個外設模塊對中央模塊的通信，外設節(jié)點是發(fā)送器(服務器)，而中央節(jié)點是接收器(客戶機)：服務器以固定周期向客戶機發(fā)送通知。對于8 kHz配置中，在廣播階段，發(fā)送器外設模塊(STM32 + BlueNRG)總平均功耗極低，只有3.50mW，當建立連接時，功耗是3.98 mW。對于16 kHz配置，廣播階段功耗是8.22 mW，而連接階段是9.48 mW。這里應著重指出的是，連接階段的功耗與連接間隔選擇關系密切，這也是8 kHz和16 kHz配置(分別是20 ms和10 ms)的主要區(qū)別。在這兩情況中，連接間隔設為接近標準規(guī)定的最小值(7.5 ms)，以確保傳輸延遲最小。一旦連接建立, BlueVoice應用立即進入傳輸狀態(tài)，8 kHz配置的平均功耗是10.07 mW，16 kHz配置的平均功耗是19.84 mW，因此，基于STM32 + BlueNRG的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，假設電池容量是200 mAh，在連續(xù)傳送數(shù)據(jù)流時，兩種配置的理論續(xù)航時間分別是約65小時和33小時。這些功耗值表明BlueVoice方法的適用于以低能耗藍牙為載體的音頻流，特別是8 kHz配置，可大幅降低功耗。

　　除分析功耗外，通過考慮存儲器占用情況，我們還評估了應用的可行性。如表II所示，BlueVoice應用軟件兩種配置占用閃存空間相同(21.85 kB)，但是，8 kHz配置占用13.32 kB的RAM空間，而16 kHz配置只占用7.86 kB的RAM空間。兩種配置占用RAM空間不同的原因是，為降低該解決方案的額外開銷和功耗，8 kHz和16 kHz分別每20 ms 和10 ms執(zhí)行音頻處理步驟(PDM轉PCM和ADPCM壓縮)，從而導致8 kHz配置在兩個連續(xù)步驟之間存儲的數(shù)據(jù)變大。在這兩種情況中，這些數(shù)值十分符合資源受限的系統(tǒng)要求。

　　表II

　　發(fā)送端BLUEVOICE存儲器占用

　　2) ASR性能

　　BlueVoice在功耗、處理性能和存儲器占用方面表現(xiàn)出的可行性并不能保證語音信號質量在接收端達到可以接受的水平，在BlueVoice解決方案性能評估最后，我們利用一個網(wǎng)絡ASR服務進行了大量的傳輸測試，在接收端測量ASR 性能。16 kHz USB麥克風和8 kHz/16 kHz BlueVoice系統(tǒng)以并行方式記錄若干個包含已知英文單詞的音頻采樣(作為參考)，并將其傳輸?shù)紸SR引擎，表III列出了不同解決方案的單詞識別率比較測試結果。測試結果證明，ADPCM壓縮沒有降低信號質量，因此適合ASR應用：BlueVoice 16 kHz配置的性能十分接近USB麥克風，而 8 kHz系統(tǒng)的性能稍有降低(18 %)，適用于低功耗要求極嚴的應用。事實上，8 kHz系統(tǒng)以16 kHz配置50%的功耗取得了相同的ASR性能。

　　表III

　　BLUEVOICE ASR性能

　　IV. 結論

　　本文介紹一個以低能耗藍牙為載體傳送音頻流的解決方案，首先介紹一個廠商專用的半雙工通信低能耗藍牙配置文件，然后介紹BlueVoice應用設計，并討論了慮涉及設備的通信角色、音頻處理和壓縮編碼選擇、數(shù)據(jù)分組和帶寬需求。BlueVoice應用由一個中央節(jié)點和一個外設節(jié)點組成，按照所選通信方向，分別充當?shù)湍芎乃{牙的服務器和客戶機。在連接建立后，服務器按固定周期向客戶機發(fā)送通知。我們對8 kHz和16 kHz兩個沒配置進行了比較，在發(fā)送器節(jié)點上，MEMS麥克風的數(shù)字PDM格式輸出信號被采集并轉換成PCM格式，然后壓縮成ADPCM數(shù)據(jù)，最終在低能耗藍牙鏈接上產(chǎn)生32或64 kbps的藍牙帶寬。該配置文件還定義一個低頻邊信息機制，雖然需要一些額外的帶寬，但是提高了錯誤抑制功能。為評估解決方案的性能， BlueVoice被實現(xiàn)在實際硬件設備上。該設備是由MEMS麥克風和STM32微控制器組成與網(wǎng)絡模塊組成的全數(shù)字系統(tǒng)，前者充當主機，后者充當?shù)湍芎乃{牙控制器。本文的性能評估表明，我們提出的解決方案在功耗、處理性能和存儲器占用方面適用于低功耗語音流應用。特別是，在8 kHz和16 kHz音頻流傳輸過程中，傳感器設備的功耗測量值分別為10.07 mW和19.84 mW，存儲器占用和性能需求完全可接受。此外，我們還測量了音頻質量指標ASR性能，8 kHz配置和816kHz配置的單詞識別率分別達到67%和82%，而16 kHz USB麥克風的識別率達到85%，這表明BlueVoice應用能夠在接收端達到非常高的音質，并具有極低的功耗。